燃气冷热电三联供的能量消耗分析研究

燃气冷热电三联供的能量消耗分析研究陈霖新唐艳芬、王建（中国电子工程设计院）（北京市节能环保中心）[内容摘要]本文以燃气冷热电联供系统的节能率、总热效率或一次能源利用率的分析研究论证了“三联供”的系统、设备的优化配置的关键技术，并推荐供冷期应以余热吸收制冷机和电动压缩制冷机混合配置方案，该解决方案是节能的。[关键词]三联供节能率总热效率１．前言分布式能源系统（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＥnｅｒｇｙＳｙｓｔｅｍ）在许多国家、地区已经是一种成熟的能源综合利用技术，它以靠近用户、梯级利用、一次能源利用效率高、环境友好、能源供应安全可靠等特点，受到各国政府、企业界的广泛关注、青睐。分布式能源系统有多种形式，区域性或建筑群或独立的大中型建筑的冷热电三联供（ＣｏｍｂｉｎｅｄＣｏｏｌｉｎｇｈｅａｔｉｎｇａｎｄｐｏｗeｒ，简称ＣＣＨＰ）是其中一种十分重要的方式。在我国目前或今后相当一段时期，燃气冷热电三联供都是分布能源系统的主要形式，应该得到广泛地积极推广应用。当前在北京等大中城市积极推广ＣＣＨＰ将有利于缓解电力供应紧张，提高供电安全可靠性；有利于均衡城市（例如北京市）燃气（天然气）夏季日耗量只为冬季的１／６～１／７的悬殊状况。但是燃气冷热电三联供的能量消耗与其它燃气供热或燃气供冷供热或燃气——蒸汽联合循环等能源系统相比，消耗量是多还是少？节能效果是好一些还是差一些？在ＣＣＨＰ的各种研究分析论文、研讨中众说纷纭、说法不一。本文将以节能率、总热效率分析研究ＣＣＨＰ的节能效果，经初步论证计算表明，燃气冷热电三联供系统在供热期基本上都是节能的；在供冷期，只要采用电动压缩制冷机和余热吸收式制冷机混合配置，基本都是节能的，只有仅采用余热吸收式制冷机时才是不节能的。鉴于此，笔者认为：所谓冷热电联供应在夏季具有一定冷负荷，冷负荷越大ＣＣＨＰ系统节能效果越明显，但必须在供冷期采用电制冷和余热吸收制冷机混合配置；笔者以具体ＣＣＨＰ的工程实例分析计算，只采用余热吸收式制冷机的系统方案的总热效率比混合配置的系统要低十个百分点以上。２．燃气冷热电联供的能耗状况分析研究２．１ＣＣＨＰ的主要方式以燃机为核心的燃气冷热电三联供系统方式有多种，基本方式有两种：燃气机（包括内燃机、燃气轮机等）+余热吸收式制冷机（余热直燃机），如图１，以天然气为燃料送入燃气轮机燃烧发电后，高温排气进入余热吸收式制冷机（余热直燃机），夏季供冷、冬季供热，根据冷负荷、热负荷的需要可补燃天然气。图２为燃气机（包括内燃机、燃气轮机）＋余热锅炉＋蒸汽吸收式制冷＋电制冷机＋燃气锅炉的流程示意图。天然气送入燃气轮机燃烧发电后，高温排气送入余热锅炉制取蒸汽，蒸汽经分汽缸至蒸汽溴化锂吸收式制冷机；冬季蒸汽经分汽缸至换热器制取热水供热。根据建筑群夏季的冷负荷需要，不足冷量由电动压缩制冷机提供；冬季不足热量由热泵和燃气锅炉提供。图１、图２两种燃气冷热电联供系统示意图及设备配置是基本的方式，依据具体工程项目的实际情况可以变化为多种系统和设备配置方式。对于采用燃气内燃机的ＣＣＨＰ，由于该机型有２类以上的余热介质，即缸套等余热热水和高温排气余热等，其ＣＣＨＰ系统和设备的配置与上述图示有一定差异，但其余热利用也是采用余热溴化锂吸收式制冷机或热水／蒸汽型溴化锂吸收式制冷机，也可将热水或蒸汽直接用于需要热水／蒸汽的场所。图１燃气轮机——余热吸收式制冷机示意图图２燃气机＋余热锅炉＋ＬｉＢｒ制冷＋电制冷＋燃气锅炉示意图１－燃气机２－余热锅炉３－ＬｉＢｒ制冷机４－燃气锅炉５－电制冷机（含热泵型）６－换热器７－分汽缸２．２冷热电三联供的节能率燃气冷热电联供在供热期、供冷期是否都可做到节约能量消耗？我们可以通过节能率进行测算，节能率是在产生相同冷量、热量和电量的状况下，联供相对于分产的一次能量节约率。节能率应按供热期、供冷期分别进行计算。供热期的节能率（Ｘh）的计算式如下：（１）供冷期的节能率（Ｘc）的计算式如下：（２）式中ηce——发电厂发电效率和电网输配效率的乘积；ηe——冷热电联供的发电效率；ηh——冷热电联供的供热效率，ηh＝ηt-ηe，ηt为冷热电联供总效率；ηb——燃气锅炉供热效率；ＣＯＰａ——余热吸收式制冷机ＣＯＰ；ＣＯＰｅ——电动压缩制冷机ＣＯＰ。２．２．１与不同发电厂发电效率比较的三联供节能率对燃气冷热电三联供的节能率的分析研究应与冷热电分产时的能量消耗进行比较，所采用的比较方法、基础数据应合理和符合实际情况，并应与可能的ＣＣＨＰ技术方案基本一致。目前我国供电网发电厂发电效率因地区的发电装置类型的不同存在着一定的差异，以北京为例，由于大部分电力均从内蒙、山西、河北等地供应，且以煤电为主，虽然正进行规划或开始建造燃气－蒸汽联合循环发电装置，但是以煤电为主的状况短期内不会根本改变。所以在进行ＣＣＨＰ的节能率计算时，不能只用某一特定的发电装置的发电效率进行比较。本文对ＣＣＨＰ节能率的分析研究中采用的发电厂发电效率为４０％～５５％，其中ηe＝40％是国内燃煤发电厂较高的发电效率、ηe＝５５％是燃气蒸汽联合循环的较好的发电效率。图３是供热期随比较发电厂发电效率的变化，ＣＣＨＰ的节能率（Ｘh）的变化曲线，电网输配损耗平均按1０％计。图３中曲线1，是按ＣＣＨＰ采用燃气内燃机时的变化曲线，内燃机总效率ηt＝８２％，其中发电效率ηe＝４０％、供热效率ηh＝４２％；曲线２是按ＣＣＨＰ采用燃气轮机时的变化曲线，燃气轮机总效率ηt＝７８％，其中发电效率ηe＝３０％、供热效率４８％。图３中各个典型点是以供电网中不同比例的上网煤电和燃气蒸汽联合循环进行计算得出，如ηt＝０．４６为煤电电量为６０％、联合循环电量４０％的折算值。从图３可见，ＣＣＨＰ在供热期都是节能的，但采用燃气内燃机的节能率高于燃气轮机；燃气内燃机的节能率（Ｘh）为０．２１～０．３６，而燃气轮机为０．１２～０．２４。图４为供冷期随发电厂发电效率的变化，ＣＣＨＰ的节能率（Ｘc）的变化曲线。比较条件与图３相同。从图４可见，当ＣＣＨＰ采用燃气轮机时，供冷期只有发电厂发电效率小于４６％时才是节能的，在电厂发电效率为４０％时的供冷期的节能率（Ｘc）约为１３％；而在ＣＣＨＰ采用燃气内燃机时，由于燃气内燃机的发电效率较高，在供冷期均为节能的，其节能率（Ｘc）为０．０１～０．２８。图３不同电网发电效率供热期节能率图４不同电网发电效率供冷期节能率２．２．２不同制冷机配置方式的节能率对ＣＣＨＰ系统和设备配置的优化至关重要，这是从事ＣＣＨＰ研究和实施者的一致共识，但是冷热电联供系统和设备配置优化的关键是什么？笔者认为：ＣＣＨＰ系统和设备配置优化的关键是合理配置电动压缩制冷机和余热吸收式制冷机的制冷能力。图５是冷热电三联供采用燃气机＋余热吸收制冷机＋电动制冷机＋燃气锅炉的系统，以两种制冷方式不同的供冷能力配置比例在供冷期的节能率（Ｘc）的变化曲线；图5中变化曲线是以电厂的发电效率为５５％、输配效率为９０％，余热吸收式制冷机的ＣOＰａ＝１．２、电制冷机的ＣOＰｅ＝５进行计算。图５中曲线１是按ＣＣＨＰ采用燃气内燃机时的变化曲线，内燃机总效率ηt＝８２％，其中ηe＝４０％，ηh＝４２％；曲线２是按ＣＣＨＰ采用燃气轮机时的变化曲线，该机组的总效率ηt＝７８％，其中ηeh＝４８％。假设供冷期的供冷量为１．０时，按电制冷机／余热吸收式制冷机的不同比例供冷量为１．0／0．0、０．７／０．３、０．６／０．４、０．５／０．５、０．４／０．６、０．３／０．７、０．２／０．８、０．１／０．９、0．0／１．0的９种典型状况计算得出的节能率（Ｘc）变化曲线。从图５可见，冷热电联供采用燃气内燃机时，供冷期都是节能的，其节能率（Ｘc）为０．０１～０．６５％；而采用燃气轮机时，若余热吸收式制冷机供冷量小于等于９2％是节能的，其节能率（Ｘc）为０．００４～０．６２％，大于９2％是不节能的；电制冷机的供冷量大于５０％后，节能率（Ｘc）均在４０％以上，即使电制冷量为２０％时，节能率也可达１５～２７％。所以冷热电联供系统和设备优化配置的关键是选择电制冷机／余热吸收式制冷机的合适比例，在具体进行ＣＣＨＰ工程的技术方案制定时，只要采用了电制冷机，就能实现供冷期节能；若果根据具体工程项目的具体条件，在认真分析研究后，合理配置各种类型的电制冷方式、设备，如采用热泵型制冷机、蓄冷装置等，都将进一步提高供冷期甚至供热期的节能效果，降低一次能源消耗，降低操作运行费用等。电制冷量/吸收制冷量图５不同制冷机配置方式的节能率２．２．３不同燃机发电效率的节能率图６、图７是供热期、供冷期在燃机发电效率分别为ηe＝２５％、３０％、４０％时随燃机总效率（ηt）变化时，节能率的变化曲线；这些曲线绘制的条件是：电网发电效率为５５％、输配效率为９０％，供冷期的制冷机全部采用余热吸收式制冷机（ＣOPａ＝１．２）。从图６可见，当燃机总效率大于７０％后，供热期的ＣＣＨＰ系统都是节能的，一般无论是燃气轮机或内燃机的总效率均大于７０％，且发电效率大都也在２５％左右或大于２５％，因此可以认为ＣCＨＰ在供热期都是节能的。从图７可见，只有当燃机发电效率ηe＝４０％、ηt≈８０％时，供冷期才是节能的；供冷期的节能率与图３中电网发电效率ηe＝５５％时的节能率是一致的。图６不同燃机发电效率供热期的节能率图７不同燃机发电效率供冷期的节能率２．３冷热电三联供的总热效率２０００年原国家四部委以急计基础１２６８号文下达的《关于发展热电联产的规定》中要求以热电联产的总热效率界定其联产项目是否合格，其供热式汽轮发电机组的蒸汽流既发电又供热的常规热电联产应符合总热效率年平均大于４５％。供热量+供电量×3600KJ/Kw·h热电联产总热效率=燃料总消耗量×燃料单位低发生热值分子是能量品位不等的二种能量，一为热能、一为电能，电能量是高品位能，电能可以１００％转变为热能，而热能不可能１００％转变为电能，因此总热效率实质是代表一次能源利用率或燃料利用率。冷热电三联供系统的总热效率可以体现该系统的一次能源利用率，是界定或评价ＣＣＨＰ系统的重要节能指标。笔者参与的几项ＣＣＨＰ系统的项目前期工作时对具体工程的系统和设备配置多方案研究分析表明，当采用燃气机＋余热吸收式制冷机＋电制冷机＋燃气锅炉的技术方案时，计算的ＣＣＨＰ的总热效率年平均都在９０％以上。表１是以北京市一座公共建筑为例测算的不同技术方案的ＣＣＨＰ的总热效率。该公共建筑面积约４０万ｍ２，测算按三个冷热电三联供技术方案进行；方案（１）为燃气轮机＋余热吸收式制冷机（带补燃），方案（２）为燃气轮机＋余热锅炉＋蒸汽双效吸收制冷机＋电制冷机＋燃气锅炉；方案（３）为燃气内燃机＋余热吸收式制冷机＋电制冷机＋燃气锅炉。表１某公共建筑采用不同ＣＣＨＰ系统的总热效率测算序号指标单位方案（1）方案（2）方案（3）1燃机发电能力MW13.26.810.82年发电量10４×kWh/a5906342056253年供冷量Gj/a2019002019002019004年供热量Gj/a2060002060002060005年天然气耗量104×NM3/a2100159016006建设投资*万元~11000733089407%82.492.5102*建设投资只包含设备购置费、安装费、相关建筑工程费，未含其它费用。从表１数据表明，从冷热电三联供的总热效率测算得出：采用方案（２）或（３），不仅总热效率高出方案（１）十个百分点以上，而且天然气耗量降低、建设投资降低；它将不仅对投资者有利，而且十分有利于均衡和减少北京市燃气供应，环境友好。３．结语（１）燃气冷热电联供的节能率、总热效率（一次能源利用率）是评价／界定ＣＣＨＰ技术方案优劣的关键指标。（２）从分析研究和测算燃气冷热电联供的节能率、总热效率的变化／变化曲线表明：采用ＣＣＨＰ在供热期是节能的。在供冷期，若供冷采用燃机余热制冷＋电制冷的系统和设备配置，节能效果十分显著；若供冷全部采用燃机余热制冷是不节能的。因此燃气冷热电联供的制冷方式应积极推行燃机余热制冷＋电制冷的方式。（３）建议在我国具有天然气（包括ＬＮＧ）供应的地区、城市应组织专业技术人员认真地